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SpaceX 如何以及为何殖民火星 · How (and Why) SpaceX Will Colonize Mars
原文:https://waitbutwhy.com/2015/08/how-and-why-spacex-will-colonize-mars.html · 2015-08-16
这是 Elon Musk 公司系列四部曲的第 3 部分。想了解这个系列的来龙去脉以及 Musk 是怎么牵扯进来的,请 从第 1 部分开始。
发文前的碎碎念: 我十周前开始写这篇文章。刚开始时,我完全没想到会搞成这么大一场折腾。但和 Tesla 那篇 一样,我在做研究的过程中意识到,这个话题 A)极其重要,而且未来几年只会更重要;B)大多数人对它了解得远远不够。经过几周的资料查阅,以及和 Musk 等人的多次交谈,我对我称之为「人类与太空的故事」这件事,建立起了一种深入到树干层面的理解——这种理解再一次彻底重塑了我对未来的心理图景。而当我在规划这篇文章要包含哪些内容时,我希望确保每一个 Wait But Why 读者读完后都能站在同样的基础上往前走——因为面对即将到来的一切,我们会用得上的。所以和 Tesla 那篇一样,这篇文章又变成了一场大工程。就连发布前的那些 进度更新 都变成了一场大工程。
关于这篇文章本身:主体分为三大部分。第 1 部分提供背景和铺垫,第 2 部分探讨殖民火星的「为什么」,第 3 部分则深入「怎么做」。为了尽可能方便阅读,全文被拆成了五页,每页大概是一篇普通 WBW 文章的长度,你可以通过下面目录里的链接轻松跳到任意部分。我们也在尝试两个新东西:
1)PDF 和电子书版本: 我们做了一个精美的 PDF 版本,方便打印和离线阅读,还有一本包含完整 Elon Musk 四部曲系列的电子书:
2)音频版本。 你可以在这里找到我朗读的无删节音频版,以及我和 Andrew 关于这篇文章的一段讨论。
目录
第三部分:如何殖民火星→ 第一阶段:搞清楚怎么把东西送进太空→ 第二阶段:彻底颠覆太空旅行的成本→ 第三阶段:殖民火星
** 公元 2365 年,木卫三 (Ganymede)**
离出发还有一天。 想到自己真的要去到那里,感觉太不真实了,她到现在还是不敢相信这事真会发生。那些她从小听到大的东西——在人类第一次踏上木卫三之前的几百年就已经建好的建筑;像房子一样大的动物;像她整个世界那么大的海洋;热带海滩;那片著名的蓝天;那颗近到能把你皮肤晒伤的巨大太阳;还有最诡异的一点——头顶上没有木星悬着。这些她在无数电影里看过的画面,让她觉得自己就要去参观一个传说中的电影布景。一次要想的东西太多了。眼下,她只需要专心确认自己带齐了所有需要的东西,然后跟每个人道别——她要过很久很久才能再见到他们了……
第一部分:人类与太空的故事
大约六百万年前,一只非常重要的雌性大猿生了两个孩子。她其中一个孩子将会成为所有黑猩猩的共同祖先。而另一个则会开启一条谱系,有一天这条谱系会包含整个人类。她第一个孩子的后代最终会长成挺正常、挺猴样的动物,但随着时间流逝,另一条谱系上开始发生一些奇怪的事情。11 ← 点这些看
我们不太清楚原因,但在接下来的六百万年里,我们的祖先谱系开始做一件地球上从没有任何生物做过的事——他们开始醒来。
这个过程缓慢而渐进地发生在成千上万代之间,就像你从睡梦中醒来的最初几秒钟里,大脑一点点恢复清醒那样。但随着清晰度越来越高,我们的祖先开始环顾四周,并且第一次,开始好奇。
从长达 36 亿年的梦中苏醒过来,地球上的生命有了它的第一批问题。
我们所在的这个大房间是什么,是谁把我们放在这里的?天花板上那个亮黄色的圆圈是什么,它每晚都跑到哪里去了?海洋的尽头在哪里,到了那里之后会发生什么?死掉的人现在都到哪里去了,反正他们已经不在这儿了?
我们发现了属于我们这个物种的伟大悬疑小说——我们在哪里?——而我们想学会怎么读它。
随着人类意识之光越来越亮,我们开始得出一些看起来说得通的答案。也许我们站在一个漂浮的圆盘上,也许这个圆盘又驮在一只巨大的乌龟背上。也许夜里头顶那些针尖大小的光点,是我们窥见这个大房间之外的一瞥——也许那就是我们死后要去的地方。也许如果我们能找到天花板和地板相接的地方,就可以把头伸出去,看看另一边所有超级好玩的东西。2
大约 1 万年前,分散的人类部落开始融合到一起,形成了最早的城市。在更大的社群里,人们可以互相讨论我们发现的这本悬疑小说,跨部落、跨世代地对照笔记。随着学习方法越来越精细,线索越积越多,新的发现浮出水面。
这个世界原来是个球,不是圆盘。也就是说,那个天花板其实是一个包裹着我们的更大的球体。飘在那个球里跟我们做伴的其他天体,它们的大小,以及彼此之间的距离,都比我们过去所想象的要大得多。然后,来了个让人不太开心的消息:
太阳并不是绕着我们转。是我们绕着太阳转。
这是个非常不温暖、不毛茸茸的发现。我们凭什么不是宇宙中心?这意味着什么?
我们究竟在哪里?
这个球本来就已经大得让人不舒服了——如果我们还不在它的中心,那我们岂不就是它内部一个随便什么位置上的一个球,似乎毫无道理可言?这真的就是事实吗?
吓人。
然后事情变得更糟了。
球体边缘那些针尖大小的光点,好像并不是我们以为的那样——它们是跟我们的太阳一样的其他太阳。它们就那样漂在外面,跟我们的太阳一样——这意味着我们根本就不在什么球里面。不仅我们的星球不是中心,连我们的太阳也只是外面随便一个哥们儿,身处不知何处,四周一片虚无。
吓人。
原来我们的太阳只是某个更大得多的东西的一小片。一片美丽、辽阔、由数十亿颗太阳组成的云。万物之万物。
至少我们还剩这个。直到我们发现,这不是全部,全部是这样的:
黑暗。
我们的工具越先进、理解越深入,视野就能拉得越远;视野拉得越远,一切就越让人绝望。我们在破译《我们在哪儿?》这本书的书页时,其实是在自讨苦吃——而我们一路破译下来,得到的知识就是:我们孤独得难以置信,住在一个孤岛里的孤岛里的孤岛上,被层层隔绝包裹,没人可以说话。
这就是我们的处境。
在我们这个物种短暂存在的最近 1% 时间里,我们成了地球上第一个知道「处境」这回事的生命——从那以后,我们就一直陷在集体的存在主义危机里。
这真不能怪我们。想象一下,原本没意识到宇宙是个东西,然后突然意识到宇宙是个东西。这信息量实在太大了。
我们大多数人应对的方式,就是活在一个愉快的幻觉里,假装自己唯一居住的地方就是一片色彩斑斓、温暖无边的大地。我们就像这个家伙,正在想尽一切办法忽略「处境」的存在:3
而我们干这件事的最佳搭档是谁?清澈的蓝天。蓝天简直像是为了帮人类假装「处境」不存在而发明出来的,充当着一块完美的、异想天开的幕布,把现实挡在外面。
然后夜晚降临了,「处境」就那么直勾勾地盯着我们的脸。
哦对哦……
这种「啦-啦-啦 → 哦对哦…… → 啦-啦-啦 → 哦对哦……」的精神分裂式旋转木马,在近代历史的大部分时间里,就是我们与「处境」关系的全部内容。
但在过去 60 年里,这段关系跃升到了一个全新的层面。二战期间,导弹技术突飞猛进,2 于是有史以来第一次,一个令人瞠目结舌的新概念成为了可能——
太空旅行。
几千年来,「人类与太空的故事」一直是仰望天空、心怀好奇的故事。人们能够离开地球这座孤岛、冲进太空冒险的可能性,把人类的探险精神彻底点燃了。
我想象 15 世纪大航海时代的人也有过类似的感受,当时我们正翻到《我们在哪儿?》的世界地图那一章,跨洋航行的概念让人们的想象力目眩神迷。假如你在 1495 年问一个孩子长大后想干什么,「当一名海洋探险家」大概会是个常见的答案。
到了 1970 年,你问同一个问题,答案会是「当一名宇航员」——也就是**「处境」探险家**。
二战推进了人类太空旅行的可能性,但真正让太空旅行成为世界大国那个标志性追求的,是 1957 年末——苏联把第一个人造物体送入了轨道,那个萌萌的 Sputnik 1。
当时冷战正打得火热,美苏两国已经掏出了各自的尺子,准备来一场全球电视直播的比屌大赛。Sputnik 成功发射,苏联的那根一下子窜出去几厘米,把美国人吓坏了。
对苏联人来说,抢在美国前面把卫星送上太空,证明了苏联的技术比美国的技术更牛,而这又被拿来向全世界证明:共产主义是一种比资本主义更优越的制度。
八个月后,NASA 诞生了。
太空竞赛 (Space Race) 拉开序幕,NASA 的第一件大事就是把人送进太空,然后再让人绕地球一整圈,最好都赶在苏联人前面。美国可不想再被打脸。
1959 年,NASA 启动了水星计划 (Project Mercury) 来执行这项任务。眼看就要成功——结果 1961 年 4 月,苏联把尤里·加加林 (Yuri Gagarin) 送入了绕地轨道,让第一个进入太空而且进入轨道的人类成了苏联人。
是时候采取激烈措施了。约翰·F·肯尼迪 (John F. Kennedy) 的顾问告诉他:苏联领先太多,美国短期内根本追不上——但载人登月这件事离得足够远,美国还有机会抢先到那儿。于是肯尼迪发表了那篇著名的「我们选择登月,不是因为它容易,而是因为它很——难——」演讲,并给这个任务砸下了一笔离谱的经费(200 亿美元,相当于今天的 2050 亿美元)。
由此诞生了阿波罗计划 (Project Apollo)。阿波罗的使命是把一个美国人送上月球——而且要第一个送上去。苏联用他们自己的登月计划联盟号 (Soyuz) 应战,竞赛全面开打。
就在阿波罗早期阶段开始成型的时候,水星计划终于进入了状态。加加林成为第一个进入太空的人一个月后,美国宇航员艾伦·谢泼德 (Alan Shepard) 成了第二个进入太空的人——他划了个小小的弧线,没进入完整的轨道,但至少在弧线的顶端跟太空击了个掌。几个月后,1962 年 2 月,约翰·格伦 (John Glenn) 成为第一个绕地球飞行的美国人。
接下来的七年里,美国和苏联进行了22次载人发射,两个超级大国在这个过程中不断打磨技术和技能。到1968年底,一路狂奔的美国累计发射次数(17次)已经超过了苏联(10次),两国共同掌握了我们称之为近地轨道 (Low Earth Orbit, LEO) 的领域。
不过自60年代初以来,LEO 就没怎么让人兴奋过了。两个大国都把目光牢牢锁定在了月球上。阿波罗计划 (Apollo program) 突飞猛进,1968年12月,美国成为第一个飞出 LEO 的国家。阿波罗8号一路飞到月球轨道,绕月10圈后安全返回。机组人员中包括詹姆斯·洛弗尔 (James Lovell)(他几个月后在阿波罗13号任务中扮演了汤姆·汉克斯的角色),他们打破了人类飞行高度纪录,成为第一批近距离看到月球的人,第一批看到月球「背」面的人,也是第一批把地球当作一颗完整行星来观看的人,并拍下了这张标志性照片:4
回国后,机组成员成了美国最受敬仰的英雄——我希望他们享受了这份荣耀,因为它只持续了八个月。三次阿波罗任务之后,1969年7月,阿波罗11号让美国人尼尔·阿姆斯特朗 (Neil Armstrong)3 和巴兹·奥尔德林 (Buzz Aldrin) 成为首批登上月球的人类,阿姆斯特朗拍下了这张著名的照片,照片里的奥尔德林看起来鼓鼓囊囊的:5
这件事有多重大,怎么强调都不为过。自从36亿年前地球上出现生命以来,没有任何一种地球生物曾经踏足过除地球以外的任何天体。而突然之间,阿姆斯特朗和奥尔德林就出现在了另一颗星球上,蹦蹦跳跳,抬头望向天空里本该有月亮的地方,看到的却是地球。太疯狂了。
阿波罗计划最终大获成功。它不仅赶在苏联之前把人送上了月球,还在接下来的3年半里通过另外五次阿波罗任务把10个人送上了月球。七次尝试中有六次成功登月,那个著名的例外就是阿波罗13号——氧气罐爆炸后任务被安全中止。4
苏联的联盟号 (Soyuz) 计划则一直被技术问题困扰,最终从未把任何人送上月球。
最后一次阿波罗登月发生在 1972 年底。仅仅十年时间,我们就征服了附近的太空,进展还在不断加速。如果那时你随便问一个美国人,或者任何其他地球人,未来几十年的太空旅行会带来什么,他们会做出宏大而大胆的预测。更多的人登上月球,一个永久月球基地,人类登陆火星,以及更远的地方。
所以你可以想象,如果在 1972 年——他们刚刚看着 12 个人在月球上漫步之后——你告诉他们,43 年后的 2015 年(这个听起来无比科幻的年份),踏上过月球的人数仍然是 12 个,他们会有多么震惊。或者告诉他们,在多年前把近地轨道甩在身后、如今只把它当作登月前的停车场之后,到了 2015 年,近地轨道竟然成了人类能去到的最远地方。
1972 年的人会被我们的智能手机和互联网震撼,但他们同样会震惊于我们放弃了在太空中推进人类边界这件事。
所以到底发生了什么?在经历了如此激动人心的十年人类太空冒险之后,我们为什么就这么停下来了?
嗯,就像我们在 特斯拉那篇 里发现的那样,「我们为什么停下来了?」这个问题本身就问错了。我们真正应该问的是:
我们当初为什么会热衷于把人送上太空?
太空旅行的费用高得离谱。各国预算又都紧巴巴的。事实上,一个国家居然愿意为了冒险、鼓舞人心和推进人类边界而拿出一大笔预算,这本身就挺让人意外的。
而且实际情况是,根本没有哪个国家真的是为了冒险、鼓舞人心和推进人类边界而砸预算——是两个国家为了一场比屌比赛而砸了预算。当所有人都在争论谁的经济制度更优越,而输了会造成国际颜面扫地时,美国政府同意在几年里把平常的规则先放一边,不惜一切代价往这个问题上砸资源,以确保他们能在这场争论里胜出——
一旦赢了,比赛结束,特别规则也就跟着结束了。美国又回到像正常人一样花钱的状态。6
美国和苏联没有继续不惜代价地突破极限,而是冷静下来,把裤子穿回去,握了握手,像成年人一样开始在更务实的项目上合作,比如在近地轨道上共建一个联合空间站。
从那时起的四十年间,人类与太空的故事又一次被困在了地球上——我们和太空互动主要就剩两个原因(注:本文接下来一整段是个小岔路,概述一下卫星、太空探测器和太空望远镜。如果你对这些不感兴趣,直接跳到国际空间站那一节我不会伤心的):
1)支持地球上的产业
阿波罗计划之后,人类与太空互动的首要原因,其实并不是人类对太空本身有多感兴趣。而是把太空拿来当工具用,支持地球上的各种产业——主要就是以卫星的形式。今天绝大多数火箭发射,只是把一些东西塞进近地轨道 (LEO),而这些东西的用途是回头看地球,而不是望向另一头的浩瀚宇宙。
下面简单介绍一下卫星:
卫星蓝色小方框
我们平常不太会想起它们,但我们头顶上有几百个飞行机器人,深深参与着我们在地球上的生活。1957 年,孤零零的斯普特尼克 (Sputnik) 独自绕着地球转,而今天,通信、天气预报、电视、导航、航拍全都严重依赖卫星,许多国家的军队和政府情报机构也是。
卫星制造、发射,以及相关设备和服务的总市场规模,已经从 2004 年的 600 亿美元膨胀到 2015 年的 2000 多亿美元。今天卫星产业的收入只占全球电信业的 4%,但却占了整个太空产业收入的 60% 以上。7
以下是全球卫星按用途的分布(2013 年数据):8
2015 年初在轨的 1265 颗活跃卫星中,美国数量遥遥领先,达 528 颗——占总数 40% 以上——但也有 50 多个国家至少拥有一颗在轨卫星。
至于这些卫星都待在哪儿,它们大多分布在太空里两个明显不同的“层”上:
大约三分之二的活跃卫星位于近地轨道。近地轨道的下限是地球上空 99 英里(160 公里),这是不受大气拖曳影响、还能维持轨道的最低高度。近地轨道的上限是 1240 英里(2000 公里)。一般来说,最低的卫星大概在 220 英里(350 公里)或更高一点。
剩下的卫星里,大部分(约三分之一)都待在离地球远得多的地方,那里叫做地球静止轨道 (geostationary orbit, GEO)。它正好位于地球上方 22,236 英里(35,786 公里)处,之所以叫「静止」轨道,是因为在这条轨道上运行的物体旋转速度恰好与地球自转速度相同,所以它在天空中的位置相对于地面上某一点始终保持不动。对地面上的观察者来说,它看起来就像纹丝不动一样。9
GEO 对电视卫星这类东西来说堪称完美,因为地面上的碟形天线可以一直对准同一个固定的点。
还有一小部分卫星处于中地球轨道 (medium Earth orbit, MEO),也就是介于 LEO 和 GEO 之间的一切区域。MEO 里一个值得一提的住户就是 GPS 系统——大多数美国人、以及许多其他国家的人每天都在用它。我以前从没意识到整个 GPS 系统——这个 1995 年上线的美国国防部项目——总共只用了 32 颗卫星。而在 2012 年之前,数量只有 24 颗——六条轨道,每条四颗。但从下面这张 GIF 里你可以看到,哪怕只有 24 颗,地球上任何一个点在任何时刻都能被至少六颗卫星「看见」,通常是九颗甚至更多(在 GIF 里,地球上的蓝点是地面上假设的一个人,某一时刻能看见他的卫星显示为蓝色,绿线表示它们与这个人的视线):10
这就是为什么哪怕你在没有蜂窝信号的地方,手机地图依然能显示你的位置——因为这跟蜂窝信号根本没关系。这套系统还设计了冗余——只需要四颗卫星同时「看见」你,系统就能精确定位。GPS 卫星的轨道周期大约是 12 小时,每天绕地球整整两圈。5
你可以用 Google Earth 查看卫星位置(这里有一段展示卫星的 酷炫视频)。
关于太空垃圾的更蓝框
卫星世界里正在发生一个大问题。除了轨道上那 1,265 颗活跃卫星之外,还有好几千颗失效卫星,再加上以往任务留下的一堆废弃火箭。时不时地,其中某个会爆炸,或者两个撞在一起,产生大量微小的碎片,这就是所谓的太空垃圾 (space debris)。近几十年来,太空中的物体数量迅速攀升,ESA 制作的一段 GIF6 展示了这一点(其中物体相对地球的尺寸被夸大了):11
大部分的卫星和碎片都聚集在地球周围的近地轨道 (LEO) 上,而外面那圈物体则位于地球同步轨道 (GEO) 上。
地球上的航天机构追踪着大约 17,000 个太空物体,其中只有 7% 是活跃的卫星。下图展示了目前已知的所有太空物体。12
但疯狂的地方在于——他们只追踪较大的物体,也就是我们在这张图里看到的那些。据估计,较小的碎片 (1 – 10 厘米) 数量在 15 万到 50 万之间,而大于 2 毫米的碎片总数超过一百万。13
问题在于,太空物体的速度快得惊人 (大多数近地轨道物体的飞行速度超过 17,000 英里/小时),即便和一个很小的物体撞一下,也可能对一颗在役卫星或飞船造成毁灭性打击。以那种速度,一个仅 1 厘米大的物体在碰撞中造成的破坏,相当于一枚小型手榴弹。714
所有太空碎片中,超过三分之一都源自两起事件:2007 年中国的反卫星试验——当时中国对着全世界的脸吐了口痰,故意炸掉了自己的一颗卫星,一次性造出了 3,000 块大到可以被追踪的新碎片;以及 2009 年两颗卫星相撞,炸出了 2,000 块碎片。15 每一次碰撞都会增加碎片数量,而碎片数量的增加又会提高再次碰撞的概率,存在多米诺骨牌式连锁反应的危险,科学家称之为 凯斯勒综合征 (Kessler Syndrome)。目前有一堆机构提出了各种减少近地轨道碎片的方案——从用鱼叉叉住碎片,到用激光轰它,再到用一团气体云去拦截它,五花八门。
下面这张图总结了各个国家的「太空足迹」,展示了每个国家的在役卫星、失效卫星以及所产生的太空碎片数量:16
除了卫星,人类与太空互动的「支持地球产业」类别里还有几项其他活动——比如太空采矿、太空葬、太空旅游——但至少目前来说,卫星几乎撑起了整个类别。
2) 观察与学习
过去 40 年人类跟太空互动的第二个原因证明了:虽然我们可能停止把人送进「那种情况」里了,但我们对搞清楚外面究竟有什么的渴望从来没消失过。当社会从太空热中走出来、把注意力转向别处时,天文学家们一直在忙着一页一页破译那本古老的悬疑小说《我们在哪里?》。
天文学家最擅长用眼睛学习,而太空竞赛的一个副作用就是催生出了远比以前强大的「看外面」的技术。现代天文学家有两种高科技的观察方式:
观察与学习工具 #1:向太阳系里派探测器
基本上,科学家把一个花哨的机器人朝某颗遥远的行星、卫星或小行星发射出去,这个机器人在太空中飞几个月甚至几年,一路无聊到爆,直到终于抵达目标。然后,视任务计划而定,它要么直接从目标旁飞掠、顺路拍点照片,要么进入轨道获取更详细的信息,要么直接降落上去做全面勘察。它学到的一切都发回给我们,等有一天任务结束,我们要么让探测器一头撞进目标把它「杀掉」,要么让它径直飞进深空、独自忧郁。
我经常拿自己当试金石,来判断大众可能知道或不知道些什么。像我在这个博客里之前提过的,我从 3 岁起就跟天文学「认真谈恋爱」了——所以如果连我都不知道太空领域正在发生什么,那我就认为大多数人也不会知道。而说到太空探测器,我一直觉得挺懵的。外面是不是有 200 个在飞?50 个?9 个?它们为什么在那儿?谁发的?它们在干嘛?我唯一知道的就是,偶尔会冒出一条新闻,说某个探测器发回了震撼的照片——我会打开 cnn.com 图库,一张张点过去,兴奋个几秒钟,把链接发给我那三个也在跟天文学谈恋爱的朋友,然后想关掉页面,结果瞥见页面边上某个 CNN 垃圾标题党,点进去,接下来三个可恨的小时人生就毁了。这就是我跟人类太空探测器的关系。
但为了写这篇文章做研究时,我很快意识到其实要知道的东西也没那么多,不用花太大力气就能把全貌摸清楚。以下是我认为目前要了解的八个关键太空机器人:17
1) 新视野号 (冥王星,NASA)
新视野号 (New Horizons) 排第一,因为它的高光时刻刚刚上演。它于 2006 年发射,踏上了长达十年的冥王星之旅(2007 年借助木星引力弹弓大幅加速),终于在 2015 年 7 月 14 日抵达冥王星。它没有着陆,而是近距离飞掠,第一次让我们看清了冥王星的模样:818
接下来,新视野号将继续向外飞入柯伊伯带 (Kuiper belt),传回彗星和矮行星的图像。你可以在这里追踪新视野号的实时位置。
尴尬的是,新视野号发射的时候冥王星还是行星,冥王星被降级之后的那几年里,大家跟新视野号团队打交道都不太敢直视对方的眼睛。虽然我认同大众的普遍情绪 —— 冥王星为自己被降级而难过,这本身就挺让人难过的9 —— 但说实话,冥王星应该庆幸自己居然靠着「行星」这个名不副实的身份混了 76 年的明星光环,期间还顺便勾搭了一堆柯伊伯带的姑娘,而它同为柯伊伯带矮行星的兄弟阋神星 (Eris) 那段时间可是一直默默无闻,直到 2005 年才被发现。
2) 好奇号 (Curiosity)(火星,NASA)
好奇号如今已是名号响当当的火星车。这个可爱的小汽车大小的着陆机器人 2012 年降落在火星表面,在一个大陨石坑里研究一堆东西,首要任务是搞清楚火星上到底有没有过生命。上一批火星车,机遇号 (Opportunity) 和勇气号 (Spirit) 于 2004 年着陆,原本计划任务期只有 90 天。结果两台都远远超期服役,而机遇号到现在都还在工作。真是个乖孩子。
火星轨道上还有一堆其他探测器,但好奇号才是那儿的主角。
在做资料搜集的时候,我看到了一段来自 IMAX 电影的视频,讲的是把勇气号从地球送到火星表面的过程,当时我觉得这是我看过最酷的视频。直到我发现了这段关于好奇号登陆火星的视频,那才是真·更酷。
3) 朱诺号 (Juno)(木星,NASA)
Juno 于 2011 年离开地球,兜了个大圈,2013 年又回到地球借了个引力弹弓(期间它拍下了一段酷炫的视频,记录月球绕地球运行的场景),现在正在飞往木星的路上,预计 2016 年 7 月抵达。19
抵达之后,朱诺号 (Juno) 将围绕木星运行,拍照并用传感器试图搞清楚那些看起来像多肉植物一样的云顶下面到底在发生什么。它的结局是坠入木星——但愿在被烧毁之前能抓拍并传回几张木星大气内部的照片,这样就会有人做一个虚拟现实视频,让你亲身体验下降到木星表面的感觉。
4) 卡西尼号 (Cassini)(土星,NASA / 欧洲航天局 / 意大利航天局合作)
卡西尼号于 1997 年发射,飞向土星——太阳系里唯一觉得穿芭蕾舞裙没问题的行星。2004 年抵达土星后,卡西尼号成为史上第一个进入土星轨道的探测器,传回了一些令人瞠目结舌的照片,比如这张:20
还有这张:
还有这张土星环的特写:
还有这张荒谬地酷、太阳在土星背后的照片:
2005 年,卡西尼号释放了随身携带的着陆器——名字让人不太舒服的惠更斯号 (Huygens)——降落到土星最大的卫星土卫六(泰坦 Titan)上。这是惠更斯号拍摄的土卫六表面的真实照片(能亲眼看到像土星卫星这样遥远又神秘的天体的真实地表,那种感觉既瘆人又迷人):21
5 和 6) 旅行者 1 号和 2 号 (Voyager 1 and 2)(木星、土星、天王星、海王星;NASA)
发射于 1977 年的两艘旅行者号探测器,是首批采集到太阳系四颗外层巨行星图像的探测器。旅行者 2 号至今仍是唯一造访过天王星和海王星的探测器,它拍下了这两颗星球颇为诡异的照片:22
旅行者号最酷的一点是,尽管它们最初的任务早已结束,却仍在一路向外飞驰。它们如今都已远得离谱,而且速度极快。旅行者 1 号是两艘中较快的那一艘,时速 38,000 英里(61,000 公里/小时)——快到只要 5 分钟就能横跨大西洋——它是离地球最远的人造物,目前距地球 131 天文单位。10 它也是首个飞出太阳系的人造物。以这个速度,旅行者 1 号大约要 73,000 年才能到达离我们最近的恒星——比邻星。
旅行者号还有一个酷点:发射之前,一个由卡尔·萨根 (Carl Sagan) 领衔的 NASA 委员会,给每艘探测器都装上了一个时间胶囊,里面塞满了地球的符号、声音和图像(还附有如何播放和查看这些媒体的符号说明),这样探测器有朝一日就能告诉外星人我们是怎么回事儿。多半是白费功夫,但谁知道呢。
7) 罗塞塔号 (Rosetta)(彗星,ESA)
发射于 2004 年的罗塞塔号,去年获得了大量关注——它在 2014 年 8 月抵达 67P 彗星,几个月后成功把它的小着陆器菲莱 (Philae) 投放到了彗星上。67P 彗星最后被证明基本上就是一块大石头(2.7 英里/4.3 公里长),不过罗塞塔号拍下的图像还是很酷的:
8) 黎明号 (Dawn)(灶神星和谷神星,NASA)
黎明号 (Dawn) 自己都不敢相信居然能挤上这份榜单。我之所以把它列进来,是因为我觉得大家可能没意识到,小行星带里其实有一些巨大到几乎接近行星尺寸的天体。小行星带是一个由数百万颗小行星组成的巨大环带,其中直径至少 1 公里的就超过 75 万颗,23 它位于火星和木星的轨道之间(别跟环绕外太阳系、大得多的柯伊伯带搞混了)。小行星带众多小行星中,有谷神星 (Ceres),一颗矮行星,直径是月球的 27%,占了整个小行星带总质量的三分之一,还有灶神星 (Vesta),小行星带中仅次于谷神星的第二大天体,也是夜空中最亮的小行星带天体。11 说实话我以前都不知道谷神星和灶神星是啥。总之,黎明号于 2007 年发射,2011 年花了 9 个月绕着灶神星转,然后启程飞向谷神星,并于 2015 年 3 月抵达(使它成为首个环绕过两个不同天体的探测器)。
外面还有另外一小批探测器。比如信使号 (Messenger),它绕水星转了 7 年,直到 2015 年 4 月故意撞向水星;拂晓号 (Akatsuki),一个本该在 2010 年开始环绕金星的日本探测器,不过它搞砸了,今年会再试一次;还有一堆平平淡淡地绕着月球转的探测器,包括中国的嫦娥三号,它把 1976 年以来第一个着陆器放到了月球上;此外还有一群在观测太阳的探测器。这里有一份详尽的列表,收录了过去和现在所有的探测器,以及一张 National Geographic 制作的超棒可视化图把这一切都总结了出来(点击图片可查看大图):24
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观察与学习工具 #2:望远镜**
望远镜从 17 世纪初就出现了,在接下来的 400 年里它们变得越来越强大,成为人类翻动《我们在哪儿?》这本书页的主要工具。
但事情发展到某个节点,地面望远镜再怎么先进,也撞上了一堵看得见的墙。你知道隔着一杯水看灯光,光会扭来扭去、傻里傻气的样子吗?星星"眨眼"就是这么回事,只不过介质不是水,而是地球的大气层。大气对光的扭曲比不上水那么夸张,但星星和星系在我们的天空中只是针尖大的一点光,所以哪怕再轻微的模糊都是大问题——就像你泡在游泳池里往上看,试图观察天上飞的一群鸟。
1960年代,人类获得了把望远镜送上太空的能力,从此能第一次看到史上最清澈的星空。1990年,NASA发射了第一台真正牛逼的太空望远镜——哈勃。1225
哈勃太空望远镜 (Hubble Space Telescope) 重13吨,长度堪比一辆校车,它那7.9英尺(2.4米)的镜头精准到能把激光打在200英里外的一枚硬币上,强大到能让你从波士顿的家里看清东京两只萤火虫(前提是地球是平的)。而它待的位置——距地球340英里的轨道上——既没有大气,也没有光污染,NASA把这里叫做"终极山巅"。26 所有这一切让哈勃拥有了前所未有的宇宙视角,过去25年里它源源不断地传回一些我根本不敢相信是真的的震撼照片。比如这个史诗级星系:27
或这两个正在缓慢合并的星系:
或大得难以想象的创生之柱 (Pillars of Creation)(左边那根"手指"从顶到底足有4光年,如果你从"指关节"起飞、坐飞机往上飞到"指尖",要花450万年):
又或者哈勃有一次把镜头对准了天空中一小块看似空无一物的方形区域(这里放在月亮旁边,好让你看清这块区域有多小):
并发现了数以千计的星系:
哈勃以及其他太空望远镜13展示给我们的一切,揭示了大量有关我们身处何处、我们从何而来的新信息,把我们对方方面面的认知都扩展了——从暗能量,到宇宙的起源、年龄和大小,再到宇宙中有多少像我们地球这样、可能孕育生命的行星。
40 多年来,这两个目标——支持地球产业、以及持续学习和探索——就是我们与太空关系的全部内容。
而由于这两个目标都最适合由机器太空旅行者来完成,「人类与太空的故事」最近这一章节的主角就一直是太空机器,人类的角色则发生在地球上或非常靠近地球的地方,靠操纵杆遥控一切。
自 1972 年阿波罗 17 号返回地球以来,人类之所以还会上太空,唯一的原因就是有时机器还没先进到能完成某项任务,所以我们得派个人上去代劳。历史上上过太空的大约 550 人当中,超过 400 人是在太空竞赛结束后的时代去的。但自阿波罗以来,理由都很务实——科学家和技术人员上太空去干活。这就是为什么过去四十年里,每一次载人任务都停留在包裹着地球的那薄薄一层太空里——近地轨道 (Low Earth Orbit)。
国际空间站
今天,几乎每次载人航天任务的目的,都是把宇航员送往国际空间站 (International Space Station, ISS) 或从空间站接回来。28
国际空间站是 16 个国家之间的一次国际合作,1998 年启动,建造花了十年时间。空间站绕地球运行在近地轨道最底的那一层,高度在 205 到 255 英里(330–410 公里14)之间,大约相当于横穿冰岛的距离——离地面近到你晚上用肉眼就能轻易看到它。15 而且它比人们以为的要大,重量相当于 320 辆汽车,长度横跨一整个美式橄榄球场那么长:29
蓝框:国际空间站里到底有人在干嘛?
开始写这篇文章的时候,我意识到我其实并不知道国际空间站是干嘛的,也不知道那些人在上面到底做什么。每次我看空间站里面的视频,都只是某个成年人飘来飘去在玩耍。
说来正巧,还真有 ISS 大会这种东西,而且上个月刚好在波士顿举办。所以我去了。这个大会由太空科学促进中心 (Center for the Advancement of Science in Space, CASIS) 主办,他们负责管理国际空间站的美国部分。以下是我在大会上学到的东西:
国际空间站是一个科学实验室。它和其他实验室差不多,只不过它有个绝技——它在太空里飞驰,所以它是唯一一个可以在零重力下做实验的实验室(其实不是真的零重力,而是微重力——这个我后面会解释)。
大多数 ISS 上的实验 的共同点是,它们上去就是为了那种重力环境,但除此之外,用途五花八门——从研究宇航员骨头萎缩来了解骨质疏松症(因为他们不用对抗重力),到测试设备在太空里能不能扛得住,到分析流体在没有其他外力干扰下如何运动和相互作用,再到利用重力变化来骗细菌暴露出哪些基因让它们对某些药物产生抗药性。
ISS 上的宇航员一周内的日程安排非常紧凑、严格。任何时候,他们要么在睡觉(8.5 小时),要么在吃饭(早餐/晚餐各 1.5 小时,午餐 1 小时),要么在锻炼(每天强制 2.5 小时),要么在做实验(每天 9 小时)——我拍了这张照片,是目前 ISS 上三位宇航员的日程表。16 周末休息,这听起来简直不能更爽了——整整两天都可以飘来飘去、望着窗外。
不是只有我一个人特别想上 ISS 玩——想被 NASA 选中上去,竞争激烈得吓人。数千人报名,100 人进入最终面试和体检,最后只有一两个人能拿到入场券。极少数情况下,私人公司或个人可以买几天的名额上站,但要花大约 6000 万美元。
如果你想更真切地感受一下在 ISS 上生活是什么样,这里有一位飘来飘去的宇航员拍的空间站视频导览。
到目前为止,已经有 216 人上过 ISS,来自 15 个国家:30
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东西是怎么送上太空的
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我们已经聊过太空里都有些什么,但这些东西到底是怎么上到太空的呢?你有没有想过 GPS 卫星这种东西一开始是怎么被送上去的?答案是,目前有九个国家具备把东西送入轨道的能力:俄罗斯、美国、法国、日本、中国、印度、以色列、伊朗,还有,嗯,朝鲜——外加一个非国家实体,欧洲航天局 (ESA)。如果一颗卫星上了天,那要么是有人付钱给这十家实体中的某一家,让它把卫星驮在一枚巨大又昂贵的火箭上送上去(要么是某个国家为了自己的用途把它送上去)。
至于把人类送上太空,历史上只有三个国家做到过——俄罗斯、美国和中国(中国是航天领域一个飞速崛起的新秀)。从 60 年代起,俄罗斯就一直用联盟号火箭把人送上太空;而美国在 1972 年结束阿波罗计划后,直到 1981 年才凭借航天飞机项目重新获得了把人送入轨道的能力。31
在接下来的 30 年里,美国把 135 架航天飞机送上了近地轨道,其中 133 次成功。剩下的两次例外是美国历史上颇为惨痛的部分——1986 年的挑战者号 和 2003 年的哥伦比亚号。
航天飞机项目于 2011 年退役。如今,只有两个国家能把人送上轨道——俄罗斯和中国。美国自己已经没有这个能力了——这个曾经在全世界注视下把人送上月球、意气风发的国家,现在只能让它的宇航员坐俄罗斯的火箭升空,还得看俄罗斯的脸色。
那么,我们该怎么理解「人类与太空的故事」呢?这故事讲得有点怪。1970 年时,故事看起来是这样的:
于是当时大家都以为故事会这样发展下去:
但现在都 2015 年了,结果实际情况是这样的:
当我看着今天人类和太空之间发生的事情,我理应觉得这一切不可思议。就在苏联把第一个人造物体送入轨道后仅仅 58 年,我们已经有一大群高科技设备在地球周围翱翔,赋予人类在视觉和通信上的魔法般能力。有一支飞行机器人信使小队散布在整个太阳系中,把它们的发现报告回来。有一台巨大的飞行望远镜高悬于地球之上,向我们精确展示可观测宇宙的模样。距我们头顶 250 英里处,有一间足球场大小的科学实验室,里面还住着人。
我刚才说的每一件事都了不起。
如果《人类与太空的故事》看起来像这样——
——我会对我们眼下在「太空局势」里正在做的这些事叹为观止。
但不幸的是,60 年代发生过。所以,故事其实是这样的:
一场好的魔术表演遵循一个简单的规则——节目要越演越精彩。如果你没法始终比越来越挑剔的观众领先一步,他们很快就会走神。
在某些方面,人类与太空的这场魔术秀确实一路稳步向上。比如在我们对知识和理解的追求上,我们不断超越自己,每十年都在显著加深对宇宙的认知。人类的探索精神仍然生机勃勃,在阿波罗之后的这些年里,它在太空领域里蓬勃发展。
但是,尽管我们对"发现"如此着迷——尽管我们如此渴望知晓《我们在哪儿?》那本书里藏着的所有秘密——真正让我们激动、给我们灵感、让肾上腺素飙升的,不是发现,而是冒险。探测器和望远镜也许能让我们感到惊奇、点燃我们的好奇心,但没有什么能像看着我们这个物种去到无人到过的地方那样,直击我们的动物本能。而在这个赛场上,过去四十年让我们感到空虚。看过人类登月之后,再去关注飞往国际空间站的载人任务,就像 Ross Andersen 说的那样,"大概就跟看哥伦布航行到伊比萨岛一样刺激。"
这就是为什么在今天,《人类与太空的故事》已经从我们意识的头版上飘走了。这个本该让我们所有人五体投地的话题,如今变成了一档极客的副节目。随便问你认识的 10 个受过良好教育的人,关于太阳系探测器、国际空间站、NASA 或 SpaceX 现在在做什么,大多数人都答不上来什么。有些人甚至不知道现在还有人上太空。人们不知道,是因为人们不关心。因为这个故事发展成了这样,《人类与太空的故事》让人感觉是个失望。看看今天我们周围的世界,直觉上会预测,太空故事的后续章节会像今天这样继续原地打转:
很多人不觉得这是坏事。"我们地球上还有那么多问题,为什么要花天文数字般的钱把人送到太空遥远的角落去?"他们会问。马萨诸塞州国会议员 Barney Frank 在美国预算决策中扮演关键角色长达三十年,他把雄心勃勃的载人航天称为"充其量是这个国家不该沉迷的一种奢侈品",是"彻头彻尾的浪费钱",是"纯粹的形象工程"。32 而自太空竞赛结束以来,NASA 预算被大幅砍削,说明持这种观点的美国政客不止 Frank 一个。
乍一看,Frank 完全是理性的——毕竟,面对医疗、国家安全、教育、贫困这些问题,我们真的应该腾出预算给"冒险"吗?这么一想,上面那张关于《人类与太空的未来》的走势图,似乎就更有可能沿着当前的轨迹继续下去了。
过去几个月,我几乎没停过地读、聊、想这个故事接下来的章节会是什么样——而我对未来的假设,现在已经发生了戏剧性的改变。
我觉得我们所有人都要大吃一惊。
对于第一次读 Wait But Why 的读者,蓝色圆圈脚注(比如这个)值得点开看看——里面是各种趣味事实、额外想法、我和 Musk 聊天时的零散引语,以及进一步的解释。↩
其实早期在火箭技术上领先世界的是德国人,但他们输掉战争后,美国人、苏联人和英国人瓜分了德国的火箭工程师,每一方都成功招募了一批。美国大概是最大赢家,抢到了冯·布劳恩 (Wernher von Braun),他最终带领美国造出了登月火箭土星五号 (Saturn V)。↩
阿姆斯特朗被选为第一个登月的人,部分原因是他以不自负著称。原本呼声最高的可能是格斯·格里森 (Gus Grissom),但 1967 年,在他准备指挥阿波罗 1 号执行低地球轨道任务时,他和另外两名宇航员在一次地面测试中被困在着火的飞船里活活烧死了。够惨的。↩
阿波罗 13 号那场灾难中有个意外的成就:飞船在某一刻比其他任何阿波罗任务离地球都远,让阿波罗 13 号的三名宇航员保持着人类飞行高度纪录(248,665 英里 / 400,187 公里),至今未破。↩
严格说是每一个恒星日两圈,恒星日大约是 23 小时 56 分钟,对应的是地球相对于恒星(而不是太阳)的自转。这让我很烦,因为我搞不懂为什么要基于恒星日而不是普通的一天,而我又不想花 17 分钟去查——如果有人知道,请在评论里告诉我。它还让我烦的另一个原因是 sidereal 这个词本身就很烦。↩
GIF 我应该大写吗?不清楚。↩
电影《地心引力》(Gravity) 把太空垃圾有多恶心表现得淋漓尽致。↩
我不确定大家意识到没有,在这之前,我们从未真正见过冥王星长什么样——它太小又太远,连我们最好的望远镜都拍不出一张像样的照片。在这些新图像传回来之前,一切看起来像是冥王星照片的东西其实都是画家的想象图。这一切在 7 月 14 日改变了。↩
冥王星于 1930 年被发现,一开始被列为行星,但随着我们发现的外太阳系天体越来越多,我们开始意识到冥王星其实只是拥挤的柯伊伯带里最大的一个天体,把它算作行星就有点说不通了。如果它在那儿孤零零地待着还好,但如果小行星带或柯伊伯带里那些巨大的矮行星全都不算行星(包括冥王星新发现的、几乎一样大的邻居阋神星 (Eris)),那冥王星就没什么好理由随随便便就是行星了。于是国际天文学联合会 (International Astronomical Union) 这群戏剧性十足的书呆子聚在一起,在两派人的一片吵闹中,敲定了行星的官方定义:1) 必须绕太阳运行,2) 必须大到能靠自身引力变成大致球形,3) 必须清空自己的轨道。冥王星在第 3 条上翻车,因为它的轨道上还有很多其他天体,那条轨道本身就是柯伊伯带的一部分。既然聊到这儿再补一个趣事:天王星 (Uranus) 被发现并命名之后不久,化学家用它命名了一种新发明的元素——铀 (uranium)。海王星 (Neptune) 命名之后,他们又如法炮制搞了个 neptunium(貌似真有这么个镎元素),而新命名的冥王星则变成了钚 (plutonium) 这个元素的名字。↩
AU 是「天文单位」(astronomical unit)——地球到太阳的距离——大约 9300 万英里(1.5 亿公里)。↩
尴尬的是,NASA 为哈勃 (Hubble) 争取预算并造出望远镜花了将近 20 年,又冒险执行了一次困难的航天飞机任务把它送上轨道,最后收到第一批哈勃照片,却发现它们模糊得一塌糊涂。原来是镜面曲率偏了 2.2 微米。一个几乎察觉不到的误差,但对于望远镜要观测的浩瀚距离而言,这误差足以毁掉一切。直到差不多四年后,才又有一次航天飞机任务能上去修它。修复方案必须先在地球上完美推演,宇航员再在太空中完美实施——那面镜子精度极高,如果宇航员在维修过程中哪怕不小心蹭到它一下,就全毁了。所幸一切顺利,从 1994 年起,哈勃一直无懈可击地工作至今。↩
哈勃预计不久后就会失效,可能在 2020 年之前。自 2009 年起,再也没有人上去修它的系统故障,失效是必然的——它的轨道会慢慢衰减,预计在 2030 到 2040 年间在地球大气层中烧毁。这有点悲伤——原本的计划是让航天飞机把它取回来,安全带回地球,让它去史密森尼博物馆当个明星。但航天飞机项目结束了,现在哈勃只能面临一个可怕的死法。好消息是,哈勃有个激动人心的继任者——詹姆斯·韦布空间望远镜 (James Webb Space Telescope)——预计 2018 年送入轨道,能探测到比哈勃最强表现还要暗 10 到 100 倍的天体。↩
我真的真的受够了这个「英里(公里)」的写法。但我没得选,因为 58% 的 WBW 读者来自美国,公里的度量对他们没什么感觉,另外 42% 来自地球其他地方的人又搞不懂英里。美国凭什么毫无道理地一直用这套愚蠢的制度啊。↩
两个俄罗斯人,一个美国人。美国人是斯科特·凯利 (Scott Kelly),宇航员马克·凯利 (Mark Kelly) 的同卵双胞胎兄弟,而马克是国会女议员加布里埃尔·吉福兹 (Gabrielle Giffords) 的丈夫。这三个人是当前太空中仅有的人类——你随时都可以在这里看到「太空中的人数」总数。↩
小小的灰色方块脚注很无聊,点进去你也会觉得无聊。它们是用来放来源和引用的。↩
GIF:http://acciolacquer.com/swatches/glam-polish-youre-never-too-old-to-be-young-pt-1/↩
图表来源:SIA 2014 报告↩
GIF:http://ucresearch.tumblr.com/post/124673707676/blasting-space-junk-with-a-laser-its-getting↩
图片:那种到处都是、很难找到原始出处的图。这里是其中一个来源:http://bizlifes.net/img/2015/07/1437578125_bozhthc.jpg↩
ERAU Scholarly Commons,太空碎片的历史 (The History of Space Debris)↩
图片由 Michael Paukner 制作。↩
探测器图片的来源可通过点击图片查看超链接。↩
图片:在《国家地理》网站上找不到,但在这个随机博客上有,所以就用这个吧 http://cosmicdiary.org/fmarchis/2014/05/19/54_years_of_exploration/↩
图片:https://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/onthestation/facts_and_figures.html↩
